JPH0450710A - Optical measuring head device and its adjusting method - Google Patents

Optical measuring head device and its adjusting method

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JPH0450710A
JPH0450710A JP2162470A JP16247090A JPH0450710A JP H0450710 A JPH0450710 A JP H0450710A JP 2162470 A JP2162470 A JP 2162470A JP 16247090 A JP16247090 A JP 16247090A JP H0450710 A JPH0450710 A JP H0450710A
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JP
Japan
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lens
temperature
measurement head
collimator lens
temperature control
Prior art date
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Pending
Application number
JP2162470A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuuji Akishiba
雄二 秋柴
Makoto Hirai
誠 平井
Takanori Imayado
今宿 孝則
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Keyence Corp
Original Assignee
Keyence Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0450710A publication Critical patent/JPH0450710A/en
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Abstract

PURPOSE:To adjust the focus position of a lens with high accuracy by arranging a light source and a lens at a specific interval, and then putting a temperature controller in operation and varying the temperature of the lens. CONSTITUTION:The set temperature of a temperature control circuit 61 is varied to vary the heating value or heat absorption quantity of the temperature controller, thereby varying the temperature of the lens 25. Then the focus posi tion of the lens 25 is shifted continuously to shape the light, which is projected from a light source through lens 25, for example, into an accurate parallel beam or form a spot on an object body in a specific shape. Further, when the light source and lens 25 are assembled, the interval between the both is prescribed to a specific value to adjust the focus position of the lens 25 roughly, and then the temperature of the lens 25 is varied to adjust the focus position of the lens 25 finely.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、レーザ光、その他の光源を利用した光学式測
定器に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an optical measuring instrument that uses laser light or other light sources.

(従来の技術) 従来、半導体レーザから出射されたレーザビームを対象
物体に照射し、該物体表面からの拡散光によって生じる
スペックルパターンを観察し、物体の移動、変形等に伴
うスペックルパターンの変化に基づいて物体の移動量、
変形量等を測定する方法が知られている(例えば朝食書
店発行「光学的測定ハンドブック」第234頁乃至24
5頁)。
(Prior Art) Conventionally, a target object is irradiated with a laser beam emitted from a semiconductor laser, and the speckle pattern generated by the diffused light from the object surface is observed, and the speckle pattern caused by movement, deformation, etc. of the object is observed. The amount of movement of the object based on the change,
Methods for measuring the amount of deformation, etc. are known (for example, "Optical Measurement Handbook" published by Shokusen Shoten, pp. 234-24).
(page 5).

しかしながら、従来は、上記測定方法の原理及び基本的
な機器構成のみが明らかになっているに過ぎず、具体的
な機器の配置、測定精度を高めるための細部構造等につ
いては、未だ十分に研究されておらず、実用化には至っ
ていない。
However, until now, only the principle of the above measurement method and the basic equipment configuration have been clarified, and the specific arrangement of equipment and detailed structure to improve measurement accuracy have not yet been sufficiently researched. It has not yet been put into practical use.

例えば物体の移動量を高精度で測定するスペックル測長
計の実用化に際しては、半導体レーザ、コリメータレン
ズ、イメージセンサ−等の構成部品を精度良く設置する
必要があるが、従来はこれらの部品を夫々独立に位置決
めしていたから、精度の高い位置決めが困難であった。
For example, in order to put a speckle length measuring meter that measures the amount of movement of an object with high precision into practical use, components such as a semiconductor laser, collimator lens, and image sensor must be installed with high precision. Since each was positioned independently, it was difficult to perform highly accurate positioning.

又、半導体レーザを設置する場所によっては温度変化が
激しく、レーザの発振波長は温度に大きく依存するから
、測定精度を高めには、半導体レーザの温度を厳密に制
御する必要がある。
Further, depending on the location where the semiconductor laser is installed, the temperature changes drastically and the oscillation wavelength of the laser largely depends on the temperature. Therefore, in order to improve measurement accuracy, it is necessary to strictly control the temperature of the semiconductor laser.

そこで、出願人は、スペックル測長計の実用化に際して
、各構成機器を容易且つ高精度に位置決め出来、然も測
定雰囲気に拘わりなく高い測定精度が得られる測定ヘッ
ド構造を開発した(特願平2−33306号)。
Therefore, in order to put speckle length measuring meters into practical use, the applicant has developed a measuring head structure that allows each component to be positioned easily and with high precision, and that provides high measurement accuracy regardless of the measurement atmosphere (patent application 2-33306).

第1図は上記測定ヘッド構造を示しており、測定ヘッド
(1)は、レーザビーム出射用の窓(14)を有する密
閉ケーシング(10)内に、半導体レーザユニット(2
)、電子冷却装置(3)、−次元イメージセンサ−(4
)等を配備している。半導体レーザユニット(2)は、
温度コントロールハウジング(22)内に半導体レーザ
、コリメータレンズ等を配置して構成される。
FIG. 1 shows the structure of the measurement head described above, in which the measurement head (1) has a semiconductor laser unit (2
), electronic cooling device (3), -dimensional image sensor - (4
) etc. are deployed. The semiconductor laser unit (2) is
It is constructed by arranging a semiconductor laser, a collimator lens, etc. inside a temperature control housing (22).

第2図の如く、コリメータレンズ(25)はビーム調節
用ネジ筒(26)の端部に固定され、該ネジ筒を温度コ
ントロールハウジング(22)のネジ孔(24)に螺合
せしめて、収容室(23)内に配置される。
As shown in FIG. 2, the collimator lens (25) is fixed to the end of a beam adjustment screw tube (26), and the screw tube is screwed into the screw hole (24) of the temperature control housing (22) to create a storage chamber. (23).

上記測定ヘッド(1)の組立時には、ビーム調節用ネジ
筒(26)を温度コントロールハウジング(22)にね
じ込んだ状態で正逆に回転させることにより、半導体レ
ーザ(21)とコリメータレンズ(25)の間隔を調整
し、これによってコリメータレンズ(25)から出射さ
れるレーザビームを平行ビームに整形する。
When assembling the measurement head (1), the beam adjustment screw tube (26) is screwed into the temperature control housing (22) and rotated in forward and reverse directions to align the semiconductor laser (21) and collimator lens (25). The interval is adjusted, thereby shaping the laser beam emitted from the collimator lens (25) into a parallel beam.

上記測定ヘッド構造によれば、測定へ・ソド(1)を精
度良く設置すれば、同時にケーシング(10)内の各構
成要素が高精度で位置決めされることとなり、精度の高
い測長が可能となる。
According to the above measurement head structure, if the measurement head (1) is installed with high precision, each component within the casing (10) will be positioned with high precision at the same time, making highly accurate length measurement possible. Become.

(解決しようとする課題) しかしながら上記測定ヘッド構造においては、測定ヘッ
ド(1)の組立工程にて、温度コントロールハウジング
(22)内のビーム調節用ネジ筒(26)を正逆に回転
させて、半導体レーザ(21)とコリメータレンズ(2
5)の間隔を調整する際、温度コンI・ロールハウジン
グ(22)のネジ孔(24)とビーム調節用ネジ筒(2
6)との間のバックラッシュは避けることが出来ず、調
整誤差の原因となっていた。
(Problem to be Solved) However, in the measurement head structure described above, in the assembly process of the measurement head (1), the beam adjustment screw cylinder (26) inside the temperature control housing (22) is rotated in forward and reverse directions. Semiconductor laser (21) and collimator lens (2
5), when adjusting the interval between the temperature control I roll housing (22) screw hole (24) and the beam adjustment screw tube (2
6) was unavoidable and caused adjustment errors.

本発明の目的は、コリメータレンズ(25)の焦点位置
を高精度で調節出来る光学式測定ヘッド装置を提供する
ことである。
An object of the present invention is to provide an optical measurement head device that can adjust the focal position of a collimator lens (25) with high precision.

(課題を解決する為の手段) 本発明に係る光学式測定ヘッド装置において、測定ヘッ
ド(1)は、光源と、該光源からの光が透過すべきレン
ズ(25)と、発熱或いは吸熱作用を発揮する温度調節
装置と、温度センサー(6)とを具え、前記レンズ(2
5)は光学プラスチックを資材として形成している。前
記温度調節装置には、任意の設定温度と前記温度センサ
ー(6)の検出温度との差に応じた制御信号を発する温
度制御回路(61)が接続され、レンズ(25)の温度
を変えることによって、該レンズの焦点調節が施されて
いる。
(Means for Solving the Problems) In the optical measuring head device according to the present invention, the measuring head (1) includes a light source, a lens (25) through which the light from the light source is transmitted, and a lens (25) that has a heat generating or absorbing effect. and a temperature sensor (6), the lens (2)
5) is made of optical plastic. A temperature control circuit (61) that emits a control signal according to the difference between an arbitrary set temperature and a temperature detected by the temperature sensor (6) is connected to the temperature adjustment device, and is capable of changing the temperature of the lens (25). The focus of the lens is adjusted by.

又、本発明に係る光学式測定ヘッド装置の調整方法にお
いては、測定ヘッド装置は、光源と、該光源からの光が
透過すべきレンズ(25)と、発熱或いは吸熱作用を発
揮する温度調節装置とから構成し、前記レンズ(25)
は光学プラスチックを資材として形成する。そして、光
源とレンズ(25)とを所定間隔に設置した後、前記温
度調節装置を動作させて、レンズ(25)の温度を変え
ることにより、該レンズの焦点位置を微調節する。
Further, in the method for adjusting an optical measurement head device according to the present invention, the measurement head device includes a light source, a lens (25) through which the light from the light source is transmitted, and a temperature adjustment device that exhibits heat generation or heat absorption. and the lens (25)
is formed using optical plastic as a material. After the light source and the lens (25) are installed at a predetermined interval, the temperature control device is operated to change the temperature of the lens (25), thereby finely adjusting the focal position of the lens.

(作 用) 一般にプラスチックレンズの屈折率は温度依存性が極め
て高く、温度の上昇に伴って、レンズの屈折率は略直線
的に減少することが知られている。
(Function) Generally, the refractive index of a plastic lens has extremely high temperature dependence, and it is known that the refractive index of the lens decreases approximately linearly as the temperature increases.

上記光学式測定ヘッド装置においては、温度制御回路(
61)の設定温度を変えることにより、温度調節装置の
発熱量或いは吸熱量が変化し、レンズ(25)の温度を
変えることが出来る。そして、これによってレンズ(2
5)の焦点位置を連続的に変位させて、光源からレンズ
(25)を経て出射される光を例えば正確な平行ビーム
に整形し、或いは対象物体上のスポットを所定形状に形
成することが出来る。
In the above optical measuring head device, the temperature control circuit (
By changing the set temperature of 61), the amount of heat generated or absorbed by the temperature adjustment device changes, and the temperature of the lens (25) can be changed. And with this, the lens (2
By continuously displacing the focal position of 5), it is possible to shape the light emitted from the light source through the lens (25) into, for example, an accurate parallel beam, or to form a spot on the target object into a predetermined shape. .

又、上記光学式測定ヘッド装置の調整方法においては、
光源及びレンズ(25)の組立時に両者の間隔を所定値
に規定することにより、レンズ(25)の焦点位置に対
する粗調整が施され、その後、レンズ(25)の温度を
変えることにより、該レンズの焦点位置が微調節される
Furthermore, in the method for adjusting the optical measuring head device,
By setting the distance between the light source and the lens (25) to a predetermined value when assembling the light source and the lens (25), coarse adjustment is made to the focal position of the lens (25), and then by changing the temperature of the lens (25), the distance between the two is set to a predetermined value. The focus position is finely adjusted.

(発明の効果) 本発明に係る光学式測定ヘッド装置及びその調整方法に
よれば、レンズの温度を変えることによって、その焦点
位置が調節されるから、従来の如きネジのバックラッシ
ュ等による機械的誤差の問題はなく、高精度の調節が可
能である。
(Effects of the Invention) According to the optical measurement head device and its adjustment method according to the present invention, the focal position is adjusted by changing the temperature of the lens, so mechanical There is no error problem and highly accurate adjustment is possible.

(実施例) 以下、図面に沿って、本発明に係る光学式測定ヘッド装
置をスペックル測長計に実施した一例について説明する
。尚、実施例は本発明を説明するためのものであって、
特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮
する様に解すべきではない。
(Example) Hereinafter, an example in which the optical measuring head device according to the present invention is implemented in a speckle length measuring meter will be described with reference to the drawings. Note that the examples are for explaining the present invention,
This invention should not be construed as limiting or reducing the scope of the claimed invention.

第1図に示す如く、測定ヘッド(1)は、密閉ケーシン
グ(10)内に、半導体レーザユニット(2)、電子冷
却装置(3)、CODを一次元方向に配列したイメージ
センサ−(4)等を配備して、ユニット化されている。
As shown in FIG. 1, the measurement head (1) includes a semiconductor laser unit (2), an electronic cooling device (3), and an image sensor (4) arranged in one dimension in a sealed casing (10). etc., to form a unit.

ケーシング(10)は、図示の如く一側面が開口した直
方体状の本体に、該開口部を塞ぐゴムパツキン(11)
及びカバー(12)をネジ止め固定して、密閉容器を構
成している。該ケーシング(1o)の前方壁にはレーザ
ビーム出射用の窓(14)が設けられている。
As shown in the figure, the casing (10) has a rectangular parallelepiped-shaped main body with an opening on one side, and a rubber gasket (11) that closes the opening.
and a cover (12) are fixed with screws to form a closed container. A window (14) for laser beam emission is provided in the front wall of the casing (1o).

半導体レーザユニット(2)は、第2図に示す様に半導
体レーザ(21)、光学プラスチック製のコリメータレ
ンズ(25)等からなるレーザビーム発生部を温度コン
トロールハウジング(22)内に組込んで、一体化した
ものである。半導体レーザ(21)は、温度センサー(
6)と共に第1の基板(5)上に取り付けられ、該基板
を温度コントロールハウジング(22)の背面にネジ止
め固定して、半導体レーザ(21)及び温度センサー(
6)は温度コントロールハウジング(22)内の収容室
(23)に収容されている。更に温度コントロールハウ
ジング(22)には、収容室(23)に連通ずるネジ孔
(24)が形成されている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor laser unit (2) has a laser beam generating section consisting of a semiconductor laser (21), an optical plastic collimator lens (25), etc. built into a temperature control housing (22). It is integrated. The semiconductor laser (21) has a temperature sensor (
6) on the first substrate (5), and the substrate is screwed and fixed to the back of the temperature control housing (22), and the semiconductor laser (21) and the temperature sensor (
6) is housed in the storage chamber (23) within the temperature control housing (22). Further, the temperature control housing (22) is formed with a screw hole (24) communicating with the storage chamber (23).

コリメータレンズ(25)は、外ネジを形成したビーム
調節用ネジ筒(26)の端部に固定され、該ネジ筒(2
6)を前記温度コントロールハウジング(22)のネジ
孔(24)に螺合せしめることによって、コリメータレ
ンズ(25)は収容室(23)或いはネジ孔(24)内
に収容される。
The collimator lens (25) is fixed to the end of a beam adjusting screw tube (26) formed with an external thread, and is attached to the screw tube (26).
6) into the screw hole (24) of the temperature control housing (22), the collimator lens (25) is housed in the storage chamber (23) or the screw hole (24).

この結果、温度コントロールハウジング(22)の収容
室(23)は基板(5)及びコリメータレンズ(25)
によって密閉され、該密閉空間内に半導体レーザ(21
)及び温度センサー(6)が配置されることになる。従
って、温度センサー(6)と半導体レーザ(21)とは
常に同一温度に維持され、半導体レーザ(21)の温度
制御は誤差なく正確に行なわれる。
As a result, the accommodation chamber (23) of the temperature control housing (22) contains the substrate (5) and the collimator lens (25).
The semiconductor laser (21
) and a temperature sensor (6) will be placed. Therefore, the temperature sensor (6) and the semiconductor laser (21) are always maintained at the same temperature, and the temperature control of the semiconductor laser (21) is performed accurately without error.

第3図の如くコリメータレンズ(25)から出射される
レーザビーム(8)を正確な平行ビームに整形するため
の粗調整として、温度コントロールハウジング(22)
にねじ込まれたビーム調節用ネジ筒(26)を正逆に回
転させ、半導体レーザ(21)とコリメータレンズ(2
5)の間隔りの調整が施されている。
As shown in Figure 3, the temperature control housing (22) is used as a rough adjustment to shape the laser beam (8) emitted from the collimator lens (25) into an accurate parallel beam.
Rotate the beam adjusting screw tube (26) screwed into the beam adjustment screw tube (26) in the forward and reverse directions to align the semiconductor laser (21) and the collimator lens (26).
5) The spacing has been adjusted.

そして、後述のコリメータレンズ(25)の温度変化に
よる焦点調節によって更に微調整が施される。
Then, further fine adjustment is performed by adjusting the focus by changing the temperature of the collimator lens (25), which will be described later.

ビーム調節用ネジ筒(26)のコリメータレンズ(25
)とは反対側の端部に、レーザビーム絞り孔(28)を
有するスリット板(27)が固定される。該レーザビー
ム絞り孔(28)の内径りは、スペックルパターンの平
均スペックル径が一次元イメージセンサー(4)を構成
するCODの配列ピッチ(例えば13μm)と略同−1
或いは僅かに大きくなる様に規定される。
Collimator lens (25) of screw tube (26) for beam adjustment
) A slit plate (27) having a laser beam aperture hole (28) is fixed to the end opposite to the slit plate (27). The inner diameter of the laser beam aperture (28) is set so that the average speckle diameter of the speckle pattern is approximately the same as the arrangement pitch (for example, 13 μm) of the COD constituting the one-dimensional image sensor (4).
Alternatively, it is specified to be slightly larger.

第1図の如くケーシング(10)の底面に固定したベー
ス(13)上に、平板状の電子冷却装置(3)が設置さ
れ、該電子冷却装置(3)の上面に密着して前記半導体
レーザユニット(2)が固定される。
As shown in FIG. 1, a flat electronic cooling device (3) is installed on a base (13) fixed to the bottom surface of the casing (10), and the semiconductor laser is placed in close contact with the top surface of the electronic cooling device (3). Unit (2) is fixed.

電子冷却装置(3)は第4図に示す様に、一対のセラミ
ック板(31)(32)の間に多数のP型半導体(33
)及びN型半導体(34)を交互に配列し、これらを電
極板(35)によって−列に連結して、両端の電極板(
35)に夫々リード線(36) (37)を接続した周
知の構造を有している。
As shown in Fig. 4, the electronic cooling device (3) has a large number of P-type semiconductors (33) between a pair of ceramic plates (31, 32).
) and N-type semiconductors (34) are arranged alternately, and these are connected in -rows by electrode plates (35).
It has a well-known structure in which lead wires (36) and (37) are connected to the leads (35) and (37), respectively.

第1図の如くベース(13)には窓(14)側の端部に
、半導体レーザユニット(2)がらのレーザビームが通
過すべき透孔(53)を有する第2の基板(51)が立
設され、該基板(51)に−次元イメージセンサ−(4
)が固定される。
As shown in FIG. 1, the base (13) has a second substrate (51) at its end on the window (14) side, which has a through hole (53) through which the laser beam from the semiconductor laser unit (2) passes. A dimensional image sensor (4) is installed on the substrate (51).
) is fixed.

更にケーシング(10)内には、半導体レーザユニット
(2)の上部に、更に第3の基板(52)が固定される
Further, inside the casing (10), a third substrate (52) is fixed above the semiconductor laser unit (2).

前記第1乃至第3基板(5)(51)(52)には、半
導体レーザ(21)を駆動するための回路や、温度コン
トロールハウジング(22)内の温度を制御するための
温度制御回路(61)の他、第6図に示す如く一次元イ
メージセンサー(4)へ直接に接続すべき初段アンプ(
9)及びバッファアンプ(90)が形成されている。
The first to third substrates (5), (51), and (52) are provided with a circuit for driving the semiconductor laser (21) and a temperature control circuit (for controlling the temperature inside the temperature control housing (22)). 61), as shown in Fig. 6, there is a first stage amplifier (
9) and a buffer amplifier (90) are formed.

温度制御回路(61)は周知の種々な構成が可能であり
、第5図はその一例を示している。該回路は、PI制御
回路(64)を入力部に具え、操作可能な温度設定部(
65)からの設定温度信号と半導体レーザユニット(2
)の温度センサー(6)からの検出温度信号とが入力さ
れている。又、該回路は、2つの電源(62)(63)
及び極性を違えて接続した2つのトランジスタQ1、Q
2を具えると共に、両電源(62)(63)の中点、及
び両トランジスタQ1、Q、の中点には、夫々前記電子
冷却装置(3)から引出された2本のリード線(36)
 (37)が接続されている。
The temperature control circuit (61) can have various known configurations, and FIG. 5 shows one example. The circuit includes a PI control circuit (64) as an input section, and an operable temperature setting section (
The set temperature signal from the semiconductor laser unit (65) and the semiconductor laser unit (2
) is inputted with the detected temperature signal from the temperature sensor (6). In addition, the circuit has two power supplies (62) (63)
and two transistors Q1 and Q connected with different polarities.
2, and two lead wires (36 )
(37) is connected.

上記温度制御回路(61)においては、検出温度が設定
温度に等しいときは、PI制御回路(64)に出力は生
じないが、同温度に差が生じると、PI制御回路(64
)からの制御信号によって、何れか一方のトランジスタ
がオンして、電源(62)或いは(63)から前記温度
差の大きさに応じた正又は負の直流電圧が、リード線(
36) (38)を通じて電子冷却装置(3)へ出力さ
れる。例えば設定温度よりも検出温度が高い場合は、電
子冷却装置(3)に吸熱作用を発揮させる様、電子冷却
装置(3)に対する通電方向が設定される。この結果、
半導体レーザユニット(2)内の温度は、温度設定部(
65)による設定温度に維持されることになる。
In the temperature control circuit (61), when the detected temperature is equal to the set temperature, no output is generated in the PI control circuit (64), but when a difference occurs in the same temperature, the PI control circuit (64)
), one of the transistors is turned on, and a positive or negative DC voltage is applied from the power supply (62) or (63) to the lead wire (
36) Output to the electronic cooling device (3) through (38). For example, when the detected temperature is higher than the set temperature, the direction of electricity supply to the electronic cooling device (3) is set so that the electronic cooling device (3) exhibits an endothermic effect. As a result,
The temperature inside the semiconductor laser unit (2) is controlled by the temperature setting section (
65) will be maintained at the set temperature.

上記温度制御回路(61)は、測長時には、半導体レー
ザユニット(2)内の半導体レーザ(21)を一定温度
に維持して、その発振波長を一定値に維持する役割を担
うが、半導体レーザユニット(2)の組立時においては
、コリメータレンズ(25)の焦点調整を行なうために
用いられる。
The temperature control circuit (61) plays the role of maintaining the semiconductor laser (21) in the semiconductor laser unit (2) at a constant temperature and its oscillation wavelength at a constant value during length measurement. When assembling the unit (2), it is used to adjust the focus of the collimator lens (25).

一般にプラスチックレンズの屈折率は温度依存性が極め
て高く、温度の上昇に伴って、レンズの屈折率は略直線
的に減少することが知られている。
Generally, the refractive index of a plastic lens has extremely high temperature dependence, and it is known that the refractive index of the lens decreases approximately linearly as the temperature increases.

例えばコリメータレンズ(25)の光学材料としてPM
MAを採用した場合、PMMAの屈折率温度係数は10
〜1.2 X 10−’/℃であって、光学ガラスの屈
折率温度係数(2〜5 x to−’/ ℃)に比べて
遥かに大きい。
For example, PM is used as the optical material of the collimator lens (25).
When MA is used, the refractive index temperature coefficient of PMMA is 10
~1.2 x 10-'/°C, which is much larger than the temperature coefficient of refractive index of optical glasses (2-5 x to-'/°C).

又、光学的な解析から、温度変化量/Tとレンズの焦点
距離Fの変化量7Fとの間には、次の関係が成立するこ
とが知られている。
Furthermore, it is known from optical analysis that the following relationship holds between the temperature change amount /T and the change amount 7F in the focal length F of the lens.

JF=(−nF+αF )X 、6 Tここで、nはレ
ンズ材料の屈折率によって決る定数、αはレンズ材料は
線膨張係数であって、PMMAの場合、焦点距離Fを1
00mmとすると次の関係式となる。
JF=(-nF+αF)
00 mm, the following relational expression is obtained.

ΔF=3.lX1O−27T 従って、温度1℃の上昇に対して0.03mmの焦点変
位が生じることになる。
ΔF=3. lX1O-27T Therefore, a focal displacement of 0.03 mm will occur for a temperature increase of 1°C.

第1図及び第2図に示す測定ヘッド(1)の組立工程に
おいては、先ず粗調整として、温度・コントロールハウ
ジング(22)内のビーム調節用ネジ筒(26)を正逆
に回転させて、半導体レーザ(21)とコリメータレン
ズ(25)の間隔りを所定値に設定した後、接着剤或い
はその他の固定具を用いてビーム調節ネジ筒(26)の
位置を固定する。そして、組立終了後、最後の微調整と
して、第5図の温度設定部(65)を操作し、コリメー
タレンズ(25)の温度変化による焦点変位によって、
該コリメータレンズの焦点を半導体レーザ(21)の点
光源位置に一致せしめるのである。
In the assembly process of the measurement head (1) shown in FIGS. 1 and 2, first, as a rough adjustment, the beam adjustment screw cylinder (26) inside the temperature/control housing (22) is rotated in forward and reverse directions. After setting the distance between the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) to a predetermined value, the position of the beam adjusting screw tube (26) is fixed using an adhesive or other fixing device. After the assembly is completed, as a final fine adjustment, operate the temperature setting section (65) shown in Fig. 5 to change the focal point due to the temperature change of the collimator lens (25).
The focal point of the collimator lens is made to coincide with the point light source position of the semiconductor laser (21).

尚、前記微調整においては、例えばマイクロメータ等を
具えた焦点調整用の治具を用いて、これを移動対象物体
として実際の測長を実施し、正確な測長結果が得られる
様、温度設定部(65)を操作して行なうことが出来る
In addition, in the above-mentioned fine adjustment, an actual length measurement is performed using a focus adjustment jig equipped with a micrometer, etc., as the object to be moved, and the temperature is adjusted to obtain accurate length measurement results. This can be done by operating the setting section (65).

第6図は、上記測定ヘッド(1)に接続して、−次元イ
メージセンサ−(4)からのイメージ信号に基づいて物
体の移動量を算出し、表示するための外部回路の一構成
例を示している。
FIG. 6 shows an example of the configuration of an external circuit connected to the measurement head (1) to calculate and display the amount of movement of an object based on the image signal from the -dimensional image sensor (4). It shows.

−次元イメージセンサ−(4)は、周知の如くバッファ
アンプ(90)から送られてくるリセット信号、スター
ト信号及びシフト信号によってCOD配列方向の走査を
一定周期で繰返す。該センサー(4)の出力信号は、初
段アンプ(9)を介してサンプルホールド回路(91)
へ接続され、これによってCCD特有のノイズが除去さ
れる。
As is well known, the dimensional image sensor (4) repeats scanning in the COD array direction at regular intervals in response to a reset signal, a start signal, and a shift signal sent from the buffer amplifier (90). The output signal of the sensor (4) is sent to the sample hold circuit (91) via the first stage amplifier (9).
This eliminates noise specific to CCDs.

サンプルホールド回路(91)の出力信号はゲイン制御
アンプ(92)を経て2値化回路(93)へ送られ、こ
れによってイメージ信号か2値化され、更に該2値化デ
ータは相関器(94)へ送られて、対象物体の基準位置
におけるスペックルパターンと移動後のスペックルパタ
ーンとの相互相関関数が、前記基準位置をずらしながら
順次計算され、この計算結果がマイクロコンピュータ(
96)へ送られる。マイクロコンピュータ(96)は前
記相互相関関数のピーク位置から物体の移動距離を算出
し、その結果を表示器(97)にデジタル表示せしめる
The output signal of the sample and hold circuit (91) is sent to the binarization circuit (93) via the gain control amplifier (92), where the image signal is binarized, and the binarized data is sent to the correlator (94). ), the cross-correlation function between the speckle pattern at the reference position of the target object and the speckle pattern after movement is sequentially calculated while shifting the reference position, and the calculation results are sent to the microcomputer (
96). The microcomputer (96) calculates the moving distance of the object from the peak position of the cross-correlation function, and displays the result digitally on the display (97).

又、前記バッファアンプ(90)、サンプルホールド回
路(91)、2値化回路(93)及び相関器(94)は
タイミング信号発生器(95)から供給されるタイミン
グ信号によって夫々動作が制御されている。
Further, the operations of the buffer amplifier (90), sample hold circuit (91), binarization circuit (93), and correlator (94) are controlled by timing signals supplied from a timing signal generator (95). There is.

測定に際して、第1図に示す測定ヘッド(1)は、対象
物体(7)の表面にレーザビーム(8)が垂直に照射さ
れ、且つ一次元イメージセンサー(4)の走査方向が対
象物体(7)の移動方向と平行となる様に設置される。
During measurement, the measurement head (1) shown in FIG. ) is installed parallel to the direction of movement.

この状態で第6図の回路を動作させ、対象物体の移動距
離が測定される。
In this state, the circuit shown in FIG. 6 is operated to measure the moving distance of the target object.

上記スペックル測長針によれば、測定ヘッド(1)のケ
ーシング(10)を精度良く設置することによって、同
時にケーシング(10)内の半導体レーザ(21)、コ
リメータレンズ(25)及び−次元イメージセンサ−(
4)が夫々高い精度で位置決めされることとなる。又、
電子冷却装置(8)及び温度制御回路(61)の装備に
よって、測定ヘッド(1)の設置環境に拘らず、半導体
レーザ(21)の発振波長を一定値を維持出来ると共に
、レーザビームを正確な平行ビームに形成出来、これに
よって高い測長精度が達成される。
According to the speckle length measuring needle, by accurately installing the casing (10) of the measuring head (1), the semiconductor laser (21), collimator lens (25) and -dimensional image sensor inside the casing (10) can be simultaneously installed. −(
4) will be positioned with high precision. or,
By equipping the electronic cooling device (8) and the temperature control circuit (61), the oscillation wavelength of the semiconductor laser (21) can be maintained at a constant value regardless of the installation environment of the measurement head (1), and the laser beam can be controlled accurately. It can be formed into a parallel beam, thereby achieving high length measurement accuracy.

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであ
って、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲
を減縮する様に解すべきではない。
The above description of the embodiments is for illustrating the present invention, and should not be construed to limit or reduce the scope of the invention described in the claims.

又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求
の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である
Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the technical scope of the claims.

例えば温度制御回路(61)としては、第5図に示すも
のに限らず、PID制御を用いたもの等、周知の種々な
回路を採用出来るのは勿論である。
For example, the temperature control circuit (61) is not limited to the one shown in FIG. 5, and it goes without saying that various well-known circuits, such as one using PID control, can be employed.

又、本発明は、前述のレーザを用いたスペックル測長計
のみならず、LEDを用いた光電スイッチ、LED或い
はレーザを用いた変位計、速度計、外形測定器等の種々
な光学式測定器に実施出来、更に、対象物体に照射すべ
き光は平行ビームに限らず、対象物体上で所定のスポッ
トを形成するもの、対象物体表面を繰返し走査するもの
等、種々な光を用いることが出来る。
Furthermore, the present invention is applicable not only to speckle length measuring instruments using the laser described above, but also to various optical measuring instruments such as photoelectric switches using LEDs, displacement meters using LEDs or lasers, speedometers, and external shape measuring instruments. Furthermore, the light to be irradiated onto the target object is not limited to a parallel beam, but various types of light can be used, such as one that forms a predetermined spot on the target object, or one that repeatedly scans the surface of the target object. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係る測定ヘッドの一部破断分解斜視図
、第2図は半導体レーザユニットの分解斜視図、第3図
は半導体レーザとコリメータレンズの位置関係を説明す
る側面図、第4図は電子冷却装置の断面図、第5図は温
度制御回路の構成を示すブロック図、第6図は測定ヘッ
ドに接続すべき測定回路のブロック図である。 (1)・・・測定ヘッド (14)・・・窓 (25)・・・コリメータレンズ (4)・・・イメージセンサ− (10)・・・ケーシング (21)・・・半導体レーザ (3)・・・電子冷却装置 (6)・・・温度センサー
FIG. 1 is a partially cutaway exploded perspective view of a measuring head according to the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of a semiconductor laser unit, FIG. 3 is a side view illustrating the positional relationship between the semiconductor laser and the collimator lens, and FIG. FIG. 5 is a sectional view of the electronic cooling device, FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the temperature control circuit, and FIG. 6 is a block diagram of the measurement circuit to be connected to the measurement head. (1)...Measuring head (14)...Window (25)...Collimator lens (4)...Image sensor (10)...Casing (21)...Semiconductor laser (3) ...Electronic cooling device (6) ...Temperature sensor

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)光源からの光をレンズを経て測定対象物体へ向っ
て出射すべき測定ヘッド(1)を具えた光学式測定ヘッ
ド装置において、測定ヘッド(1)は、光源と、該光源
からの光が透過すべきレンズ(25)と、発熱或いは吸
熱作用を発揮する温度調節装置と、温度センサー(6)
とを具え、前記レンズ(25)は光学プラスチックを資
材として形成し、前記温度調節装置には、任意の設定温
度と前記温度センサー(6)の検出温度との差に応じた
制御信号を発する温度制御回路(61)が接続され、レ
ンズ(25)の温度を変えることによって、該レンズの
焦点調節が施されていることを特徴とする光学式測定ヘ
ッド装置。(2)測定の対象となる移動物体の表面にレ
ーザビームを照射し、該物体からの反射光に基づいて物
体の移動距離を測定する装置において、レーザビームの
出射窓(14)を有するケーシング(10)内に、半導
体レーザ(21)と、該半導体レーザ(21)からのレ
ーザ光を集光してレーザビームを形成するコリメータレ
ンズ(25)と、発熱或いは吸熱作用を発揮する温度調
節装置と、温度センサー(6)とを配置して測定ヘッド
(1)を構成し、前記コリメータレンズ(25)は光学
プラスチックを資材として形成し、前記温度調節装置に
は、任意の設定温度と前記温度センサー(6)の検出温
度との差に応じた制御信号を発する温度制御回路(61
)が接続され、コリメータレンズ(25)の温度を変え
ることによって、該コリメータレンズの焦点調節が施さ
れていることを特徴とする光学式測定ヘッド装置。 (3)半導体レーザ(21)、コリメータレンズ(25
)及び温度センサー(6)は、一体の温度コントロール
ハウジング(22)に設けた収容室(23)内に配備さ
れ、該温度コントロールハウジング(22)の外面に密
着して、前記温度調節装置となる電子冷却装置(3)を
設置した請求項2に記載の光学式測定ヘッド装置。 (4)光源からの光をレンズを経て測定対象物体へ向っ
て出射すべき測定ヘッド(1)を具えた光学式測定ヘッ
ド装置の調整方法において、測定ヘッド(1)は、光源
と、該光源からの光が透過すべきレンズ(25)と、発
熱或いは吸熱作用を発揮する温度調節装置とから構成し
、前記レンズ(25)は光学プラスチックを資材として
形成し、光源とレンズ(25)とを所定間隔に設置した
後、前記温度調節装置を動作させて、レンズ(25)の
温度を変えることにより、該レンズの焦点位置を微調節
することを特徴とする光学式測定ヘッド装置の調整方法
。 (5)測定の対象となる移動物体の表面にレーザビーム
を照射し、該物体からの反射光に基づいて物体の移動距
離を測定する測定ヘッド装置の調整方法において、レー
ザビームの出射窓(14)を有するケーシング(10)
内に、半導体レーザ(21)と、該半導体レーザ(21
)からのレーザ光を集光してレーザビームを形成するコ
リメータレンズ(25)と、発熱或いは吸熱作用を発揮
する温度調節装置とを配置して測定ヘッド(1)を構成
し、前記コリメータレンズ(25)は光学プラスチック
を資材として形成し、半導体レーザ(21)とコリメー
タレンズ(25)とを所定間隔に設置した後、前記温度
調節装置を動作させてコリメータレンズ(25)の温度
を変えることにより、該コリメータレンズの焦点位置を
微調節することを特徴とする光学式測定ヘッド装置の調
整方法。
[Scope of Claims] (1) In an optical measurement head device including a measurement head (1) that emits light from a light source toward an object to be measured via a lens, the measurement head (1) is connected to the light source. , a lens (25) through which the light from the light source should pass, a temperature control device that exhibits heat generation or heat absorption, and a temperature sensor (6).
The lens (25) is made of optical plastic, and the temperature control device has a temperature control signal that generates a control signal according to the difference between an arbitrary set temperature and the temperature detected by the temperature sensor (6). An optical measuring head device, characterized in that a control circuit (61) is connected to the lens (25), and the focus of the lens (25) is adjusted by changing the temperature of the lens. (2) In a device that irradiates the surface of a moving object to be measured with a laser beam and measures the moving distance of the object based on the light reflected from the object, a casing ( 10) includes a semiconductor laser (21), a collimator lens (25) that focuses the laser light from the semiconductor laser (21) to form a laser beam, and a temperature control device that exhibits heat generation or endothermic action. , a temperature sensor (6) are disposed to constitute the measurement head (1), the collimator lens (25) is made of optical plastic, and the temperature adjustment device includes an arbitrary set temperature and the temperature sensor. (6) Temperature control circuit (61) that emits a control signal according to the difference from the detected temperature.
) is connected to the collimator lens (25), and the focus of the collimator lens (25) is adjusted by changing the temperature of the collimator lens (25). (3) Semiconductor laser (21), collimator lens (25)
) and the temperature sensor (6) are arranged in a storage chamber (23) provided in the integrated temperature control housing (22), and are in close contact with the outer surface of the temperature control housing (22) to serve as the temperature adjustment device. The optical measuring head device according to claim 2, further comprising an electronic cooling device (3). (4) In a method for adjusting an optical measurement head device including a measurement head (1) that emits light from a light source toward an object to be measured via a lens, the measurement head (1) includes a light source and a light source. The lens (25) is composed of a lens (25) through which light is transmitted, and a temperature control device that exhibits heat generation or heat absorption.The lens (25) is made of optical plastic, and the light source and the lens (25) are A method for adjusting an optical measurement head device, characterized in that after the lenses (25) are installed at predetermined intervals, the temperature adjustment device is operated to change the temperature of the lens (25), thereby finely adjusting the focal position of the lens (25). (5) In a method for adjusting a measurement head device in which the surface of a moving object to be measured is irradiated with a laser beam and the moving distance of the object is measured based on the light reflected from the object, the laser beam exit window (14 ) having a casing (10)
a semiconductor laser (21);
The measurement head (1) is configured by arranging a collimator lens (25) that condenses laser light from the collimator lens (25) to form a laser beam, and a temperature control device that exhibits heat-generating or endothermic action. 25) is made of optical plastic, and after installing the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) at a predetermined interval, the temperature control device is operated to change the temperature of the collimator lens (25). A method for adjusting an optical measurement head device, comprising finely adjusting the focal position of the collimator lens.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001267626A (en) * 2000-03-16 2001-09-28 Keyence Corp Optical device
JP2006030196A (en) * 2004-07-13 2006-02-02 Mitsutoyo Corp Reading head for speckled image correlation optical displacement sensing, reading head for speckle image correlation optical position transducer, and method for monitoring warm-up period time thereof

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